光柵衍射實(shí)驗(yàn)------光波波長(zhǎng)的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坑^察光柵衍射現(xiàn)象，了解光柵的應(yīng)用及其特性。測(cè)量汞燈不同譜線的波長(zhǎng)?！菊n時(shí)分配與教學(xué)方法】實(shí)驗(yàn)共3個(gè)學(xué)時(shí)；講解25分鐘，演示約5分鐘，其余時(shí)間為個(gè)別指導(dǎo)。【實(shí)驗(yàn)儀器】分光儀、全息透射光柵、光源(汞燈)、雙面反射鏡【實(shí)驗(yàn)原理】衍射光柵是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的光學(xué)元件，由大量相互平行、等寬、等間距的狹縫或刻痕所組成。由于光柵具有較大的色散率和較高的分辨本領(lǐng)，它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中。1821年夫瑯禾費(fèi)創(chuàng)制了用細(xì)金屬絲做成的衍射光柵，并且用它測(cè)量了太陽(yáng)光譜暗線的波長(zhǎng)。后來(lái)他又在貼著金箔的玻璃上用金剛石刻劃平行線做成色散更大的光柵。首創(chuàng)直接在玻璃板上刻制光柵的是諾伯爾(1806-1881)。現(xiàn)在使用的光柵有透射式和反射式兩種，多是以刻線光柵為模板，復(fù)制在以光學(xué)玻璃為基板的薄膜上做成的，也有用全息照相法制做的。理論知識(shí)準(zhǔn)備1、 相干光：兩束振動(dòng)方向相同、頻率相同、位相相同或位相差恒定的光稱(chēng)為相干光。2、 光柵方程：若以單色平行光束垂直照射光柵，通過(guò)每個(gè)狹縫的光都會(huì)發(fā)生衍射，這些衍射光又在一些特殊方向上被透鏡會(huì)聚于焦平面上一點(diǎn)后，因干涉加強(qiáng)而型成各級(jí)亮線，如圖1，若衍射角為◎的光束經(jīng)透鏡會(huì)聚后互相加強(qiáng)，則角p必須滿足關(guān)系式dsin甲=+k人,(k=0,1,2,3,...)k即光程差必須等于光波長(zhǎng)的整數(shù)倍。式中久為單色光波長(zhǎng)，k是亮條紋級(jí)次，中k為k級(jí)譜線的衍射角。此式稱(chēng)為光柵方程，它是研究光柵衍射的重要公式。3、 光柵的色散率：角色散率D(簡(jiǎn)稱(chēng)色散率)是兩條譜線偏向角之差△中和兩者波長(zhǎng)之差△人之比：

對(duì)光柵方程微分可有由上式可知，光柵光譜具有如下特點(diǎn)：光柵常數(shù)d越小，色散率越大；高級(jí)數(shù)的光譜比低級(jí)數(shù)的光譜有較大的色散率；衍射角很小時(shí)，色散率D可看成常數(shù)，此時(shí)，△中與△人成正比，故光柵光譜稱(chēng)為勻排光譜。△中△X△中△Xkdcos中天燈入射形藍(lán)491.6rm天燈入射形器435.Snm404.Truii汞燈的光柵光譜示意圖【實(shí)驗(yàn)步驟】1.分光計(jì)的調(diào)整：要求分光儀達(dá)到以下三點(diǎn)要求，才能用它進(jìn)行精確的測(cè)量平行光管發(fā)出平行光(平行光管的狹縫位于其物鏡焦平面上)。望遠(yuǎn)鏡接受平行光(調(diào)焦于無(wú)窮遠(yuǎn))。光柵在載物臺(tái)上的位置S1,S2,光柵在載物臺(tái)上的位置S1,S2,S3為水平調(diào)節(jié)螺釘2.光柵調(diào)節(jié)：(a)調(diào)節(jié)光柵平面垂直于平行光管.調(diào)整好分光計(jì)，將光柵如圖放置于載物臺(tái)上，用望遠(yuǎn)鏡觀察光柵平面發(fā)射回來(lái)的亮十字，在輕微轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，并通過(guò)調(diào)平螺絲S2或S3使亮十字像與分劃板上方的十字重合，此時(shí)光柵平面與平行光管光軸就垂直了。(b)調(diào)節(jié)光柵平面與儀器主軸平行。左右轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡觀察汞燈衍射光譜，望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至兩邊時(shí)，若左右兩邊光譜線不在同一水平線上說(shuō)明光柵刻痕與分光計(jì)旋轉(zhuǎn)主軸不平行，調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲S1,使兩邊譜線處于同一水平線上即可測(cè)量汞燈K=±1級(jí)時(shí)各條譜線的衍射角：測(cè)量汞燈光譜線的衍射角，為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量左右對(duì)稱(chēng)的+1和-1級(jí)譜線的夾角，取其一半做為衍射角。重復(fù)測(cè)量三次。誤差分析指南入射平行光不垂直光柵平面而引入的誤差。當(dāng)入射光與光柵法線成0角時(shí)，對(duì)d=1/600mm的光柵來(lái)說(shuō)，0=3。相對(duì)誤差可算出是0.16%，可見(jiàn)偏離角度不大時(shí)此誤差可以忽略不計(jì)。如果把光柵放反了，即把涂著藥膜的一面對(duì)著平行光管，相當(dāng)于在光路中加了一層介質(zhì)(如玻璃)，由于介質(zhì)的折射使衍射光線平移了一個(gè)距離，介質(zhì)的兩個(gè)面是平行的，那么透過(guò)介質(zhì)后的衍射光線的角度不變，因此經(jīng)望遠(yuǎn)鏡后會(huì)聚后在分劃板上的位置也不會(huì)改變，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。?光柵常數(shù)是實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確給出的，故本實(shí)驗(yàn)的主要誤差來(lái)源是衍射角中的測(cè)量。復(fù)習(xí)思考題1、 光柵方程和色散率的表達(dá)式中各量的物理意義及適用條件？2、 光柵光譜與棱鏡光譜相比有什么特點(diǎn)？3、 光柵常數(shù)相同，但刻痕數(shù)不同，對(duì)測(cè)量有無(wú)影響？4、 當(dāng)用鈉光以=589.0nm)垂直入射到一毫米內(nèi)有100條刻痕的透射光柵上，問(wèn)最多能看到有幾級(jí)光譜？5、 當(dāng)平行光管的狹縫很寬時(shí)，對(duì)測(cè)量有什么影響？6、 分光計(jì)主要由哪幾部分組成？為什么說(shuō)望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整是分光計(jì)調(diào)整的基礎(chǔ)和關(guān)鍵？7、 分光計(jì)在設(shè)計(jì)上是如何消除偏心差的？8、 若在望遠(yuǎn)鏡中觀察到的譜